Metodo In Vitro per la valutazione delle interazioni laser-titanio utilizzando laser Er, Cr:YSGG e a diodi

Summary

Questo protocollo descrive un metodo in vitro standardizzato per valutare gli effetti termici e superficiali sul titanio durante l'irradiazione laser Er,Cr:YSGG e con diodi utilizzando impostazioni di taglio dei tessuti molli raccomandate dal produttore. La termometria a contatto diretto e l'analisi multimodale delle superfici forniscono un flusso di lavoro riproducibile per caratterizzare le interazioni laser dipendenti dalla lunghezza d'onda.

Abstract

Questo studio presenta un protocollo standardizzato in vitro per valutare la risposta termica e le alterazioni superficiali del titanio durante l'irradiazione laser Er,Cr:YSGG e a diodo secondo impostazioni di tessuti molli raccomandate dal produttore. Cilindri di titanio personalizzati di grado 4 con canale interno permettevano la misurazione diretta della temperatura tramite una termocoppia incorporata, consentendo una valutazione controllata delle variazioni termiche indotte dal laser. Per garantire la coerenza geometrica e minimizzare la variabilità dipendente dall'operatore, è stato utilizzato un sistema di stabilizzazione stampato in 3D per standardizzare l'angolo di irradiazione, la traiettoria di sfreccia e il movimento della punta. Le modifiche superficiali successive all'esposizione laser sono state caratterizzate quantitativamente e qualitativamente utilizzando tecniche complementari, tra cui profilometria per l'analisi della rugosità, microscopia elettronica a scansione per la valutazione micromorfologica e microscopia a forza atomica per la valutazione topografica su scala nanometrica. L'irradiazione con laser a diodo produceva elevazioni di temperatura dipendenti dalla potenza e dal tempo, con le combinazioni di parametri più alte che superavano la soglia di sicurezza clinicamente accettata di 10 °C. Al contrario, tutte le condizioni Er,Cr:YSGG testate sono rimaste al di sotto di questo limite, indicando un comportamento termico distinto dipendente dalla lunghezza d'onda. Entrambi i sistemi laser hanno indotto aumenti significativi della rugosità superficiale rispetto alla superficie di controllo non trattata, mentre le analisi di imaging hanno rivelato differenze dipendenti dalla lunghezza d'onda nella morfologia su scala micro e nanoscala. Collettivamente, questo protocollo fornisce un quadro sperimentale per l'indagine sistematica delle interazioni laser-titanio e può supportare una selezione più sicura e basata su evidenze per le procedure dei tessuti molli assistite da laser eseguite vicino ai componenti dell'impianto.

Introduction

Le procedure dei tessuti molli assistite da laser sono ampiamente impiegate durante la seconda fase della chirurgia dell'impianto e la gestione della mucosa peri-implant, dove l'irradiazione avviene spesso in prossimità dei componenti in^{titanio 1,2}. In tali situazioni cliniche, è essenziale comprendere il comportamento termico del titanio e il potenziale di alterazioni superficiali, poiché un'eccessiva elevazione della temperatura o la perturbazione superficiale possono compromettere l'integrità ossea peri-impianto e la stabilità a lungo termine^{dell'impianto 3,4}. La letteratura esistente fornisce preziose informazioni sulle interazioni laser dipendenti dalla lunghezza d'onda, ma la variabilità metodologica, come differenze nella geometria dell'irradiazione, modalità di contatto, angulazione e tecniche di valutazione superficiale, pone sfide per stabilire soglie di sicurezza riproducibili e clinicamente ^{applicabili 5,6,7}.

Studi recenti si sono sempre più concentrati sugli effetti termici e superficiali delle diverse lunghezze d'onda laser sul titanio, in particolare nel contesto delle procedure peri-impianti dei tessuti molli. È stato dimostrato che i laser a diodo inducono elevazioni di temperatura e alterazioni superficiali dipendenti dalla potenza e dal tempo, con alcune impostazioni che superano le soglie termiche clinicamente rilevanti, sollevando preoccupazioni sulla sicurezza termica vicino ai componenti 8,9,10,11. Al contrario, i laser a base di erbio, inclusi i sistemi Er,Cr:YSGG, mostrano interazioni specifiche per lunghezza d'onda caratterizzate da meccanismi di assorbimento d'acqua e ablazione idrocinetica, che possono limitare un eccessivo trasferimento di calore e danni superficiali nelle condizioni appropriate 12,13,14. Nonostante questi progressi, gli esiti riportati rimangono eterogenei a causa delle differenze nel disegno sperimentale e della mancanza di metodologie standardizzate.

Studi precedenti hanno esaminato le variazioni di temperatura 9,10,11,15, la modifica superficiale indotta dal ^laser 14,16,17, o aspetti specifici dell'assorbimento ottico ^{del titanio 7}, ma molti modelli sperimentali mancavano di un controllo standardizzato di parametri come l'angolazione della fibra, il contatto con la superficie della punta o l'uniformità dello sweep. Queste variazioni possono influenzare la fornitura di energia e complicare i confronti tra gli studi. Inoltre, l'uso dell'imaging monomodale in diversi rapporti ha limitato la capacità di rilevare alterazioni micro- e nanoscale dipendenti dalla lunghezza d'onda su superfici di titanio^16,18. Un quadro analitico più integrato potrebbe quindi migliorare l'interpretabilità e la rilevanza clinica della ricerca sull'interazione tra laser e titanio¹².

Per colmare queste lacune metodologiche, il presente studio introduce un protocollo in vitro standardizzato per valutare le interazioni laser Er, Cr:YSGG e diodo con superfici di titanio sotto parametri di taglio dei tessuti molli clinicamente rilevanti e raccomandati dal produttore. Si ipotizzava che i laser Er,Cr:YSGG e a diodo, quando operati secondo impostazioni di tessuti molli raccomandate dal produttore, avrebbero prodotto differenze distinte e dipendenti dalla lunghezza d'onda nella risposta termica e nella modifica superficiale del titanio. Il protocollo impiega cilindri di titanio di grado 4 lavorati su misura con un canale termocoppia interno, consentendo la misurazione diretta delle temperature di base e post-irradiazione e minimizzando gli artefatti comunemente associati alle sonde esterne.

Un sistema di stabilizzazione rigido stampato in 3D mantiene un angolo di irradiazione fisso, una traiettoria controllata del portamano e una modalità di contatto costante, riducendo la variabilità dipendente dall'operatore e garantendo una riproduzione di energia riproducibile.

Un punto di forza chiave di questo protocollo è la sua strategia di valutazione multimodale, che combina valutazione termica, analisi della rugosità profilometrica e imaging ad alta risoluzione SEM e AFM. Questo approccio integrato consente la caratterizzazione simultanea del comportamento termico macroscopico, dei cambiamenti morfologici su scala microscopica e delle alterazioni topografiche su scala nanometrica, offrendo una valutazione più completa rispetto alle tecniche a parametro singolo comunemente usate in studi^precedenti 9,10,15,18. Fornendo un flusso di lavoro visivamente dimostrabile e controllato metodologicamente, questo protocollo stabilisce una piattaforma riproducibile per confrontare le interazioni di Er, Cr:YSGG e laser a diodo con superfici di titanio.

Nel complesso, la metodologia presentata qui mira a supportare lo sviluppo di soglie di sicurezza clinicamente rilevanti e specifiche per la lunghezza d'onda per l'esposizione assistita da laser al secondo stadio dell'impianto e altre procedure peri-impianti^{dei tessuti molli} 10,11,13.

Protocol

Preparazione di campioni di titanio
I cilindri di titanio di grado 4 (5 mm × 10 mm, superficie acida di grana  grande sabbiata (SLA)) sono stati puliti con etanolo al 70% per 30 secondi. Gli esemplari sono stati posti su una superficie pulita e asciugati all'aria per 10 minuti. La superficie piatta di irradiazione di ciascun cilindro veniva ispezionata per confermare l'assenza di detriti visibili. Ogni cilindro era posizionato nel portastabilizzatori stampato in 3D, con la superficie piatta orientata verso l'alto e la fessura laterale della termocoppia accessibile. Tutti i rifiuti di etanolo e eventuali consumabili contaminati generati durante la preparazione e la pulizia del campione sono stati raccolti e smaltiti in conformità con le linee guida istituzionali sulla gestione dei rifiuti di laboratorio.

Preparazione ambientale e di sicurezza
Tutti gli esperimenti sono stati condotti in un ambiente di laboratorio controllato a 27 °C. La temperatura ambiente è stata monitorata continuamente durante tutti gli esperimenti utilizzando un termometro digitale posizionato adiacente all'impianto sperimentale. Durante l'applicazione del laser venivano utilizzati occhiali protettivi adeguati alla lunghezza d'onda. Gli oggetti riflettenti venivano rimossi dallo spazio di lavoro e i sistemi laser venivano accesi, permettendo di completare le routine interne di autocontrollo prima dell'uso. (Figura 1).

Figura 1: Sistemi laser utilizzati per l'irradiazione. (A) Laser a diodo. (B) Eh, laser Cr:YSGG. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Randomizzazione e allocazione dei gruppi
Tutti i cilindri di titanio sono stati numerati e assegnati casualmente in 13 gruppi di studio utilizzando una lista di randomizzazione generata al computer, inclusi sei gruppi Er,Cr:YSGG, sei gruppi di diodi e un gruppo di controllo. I compiti di gruppo e i parametri laser sono riassunti nella Tabella 1. Ogni campione era etichettato con un codice identificativo unico per garantire la tracciabilità durante tutto l'esperimento, in base al gruppo assegnato.

Designazione del gruppo	Sistema laser utilizzato	Numero di esemplari	Impostazione di Potenza Applicata (W)	Tempo di esposizione
D1	Diodo	8	1.2 W	20
D2		8	1.2 W	40
D3		8	1.7 W	20
D4		8	1.7 W	40
D5		8	2.2 W	20
D6		8	2.2 W	40
E1	Eh, Cr:YSGG	8	2,75 W	20
E2		8	2,75 W	40
E3		8	3,75 W	20
E4		8	3,75 W	40
E5		8	4,75 W	20
E6		8	4,75 W	40
C	Controllo	8

Tabella 1: Panoramica dei gruppi di studio sperimentali e dei parametri laser.

Stabilizzazione dei campioni nel portacampioni stampato in 3D
Per l'irradiazione, il portastabilizzatore stampato in 3D veniva fissato a un vassoio rigido per evitare movimenti durante l'applicazione del laser. Ogni cilindro di titanio veniva inserito verticalmente nella sua fessura designata, con la superficie piatta rivolta verso il percorso di irradiazione. Il supporto manteneva un angolo di irradiazione fisso di 15°, standardizzando la geometria di interazione tra la punta del laser e la superficie di titanio. Il portamano veniva guidato lungo il canale del supporto per garantire una traiettoria di irradiazione coerente tra i campioni.

Posizionamento delle termocoppie e misurazioni di temperatura di base
Una termocoppia di tipo K veniva inserita nel canale centrale di ciascun cilindro di titanio fino a raggiungere un contatto stabile metallo con metallo (Figura 2). La termocoppia era collegata a un multimetro digitale impostato in modalità temperatura (°C). La temperatura di base è stata registrata dopo la stabilizzazione, definita come un periodo di fluttuazioni di temperatura sotto 0,1 °C per 30 secondi.

Figura 2: Cilindri di titanio con canale termocoppia. (A) Vista laterale. (B) Vista laterale inversa. (C) Vista apicale del canale della termocoppia. (D) Vista coronale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Ehm, irradiazione laser Cr:YSGG
Ehm, l'irradiazione laser Cr:YSGG è stata eseguita in condizioni di spruzzo continuo di aria e acqua. La punta del laser era posizionata in contatto diretto con la superficie di titanio a un angolo fisso di 15°. La punta veniva spostata lungo un percorso lineare di 5 mm a una velocità di 1 cm/s. Poiché l'irradiazione veniva eseguita in condizioni di contatto diretto, il diametro effettivo di interazione del laser corrispondeva approssimativamente al diametro della punta specificato dal produttore di 500 μm. I campioni venivano irradiati con combinazioni potenza-tempo di 2,75 W, 3,75 W o 4,75 W per 20 secondi o 40 secondi.

Irraggiamento laser a diodo
L'irradiazione laser a diodi è stata eseguita in modalità onda continua utilizzando una fibra da 400 μm a contatto diretto con la superficie di titanio a un angolo fisso di 15°. La fibra veniva congiunta lungo un percorso lineare di 5 mm a una velocità di 1 cm/s. L'impronta effettiva di contatto sulla superficie di titanio era determinata dal diametro della fibra utilizzato in modalità contatto diretto. I campioni venivano irradiati con combinazioni di potenza e tempo di 1,2 W, 1,7 W o 2,2 W per 20 secondi o 40 secondi.

Registrazione e calcolo della temperatura di ΔT
Immediatamente dopo l'irradiazione laser, la temperatura post-irradiazione veniva registrata utilizzando la termocoppia collegata al multimetro digitale. La variazione di temperatura (ΔT) è stata calcolata come la differenza tra post-irradiazione e temperatura di base. Ogni campione è stato irradiato una sola volta e non è stata effettuata alcuna applicazione ripetuta del laser sullo stesso campione.

Misurazioni profilometriche della rugosità superficiale
Dopo le misurazioni termiche, le superfici irradiate sono state pulite con aria compressa priva di olio. Ogni campione veniva montato sullo stadio del profilometro e un'area di 2 × 2 mm veniva scansionata usando una forza dello stilo di 4 mN, una velocità di scansione di 0,5 mm/s e una lunghezza di taglio di 0,8 mm. Sono state effettuate cinque scansioni per campione e calcolata la media del valore di Ra (Figura 3).

Figura 3: Flusso di lavoro sperimentale. Preparazione del campione, posizionamento delle termocoppie, irradiazione laser, registrazione della temperatura, profilometria, analisi SEM e AFM. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Results

Analisi della temperatura
In tutti i gruppi Er,Cr:YSGG, la variazione di temperatura è rimasta al di sotto della soglia di sicurezza di 10 °C, con valori compresi tra –2,65 °C e +2,20 °C. La potenza ha avuto un effetto significativo sul cambiamento di temperatura (p < 0,001), mentre la durata dell'irradiazione non ha mostrato un'influenza significativa (p = 0,898). La temperatura più bassa è stata osservata in E2 (2,75 W–40 s: –2,65 °C). Al contrario, l'irradiazione ...

Discussion

Questo studio ha dimostrato che le interazioni con il titanio laser sono fortemente influenzate dalla lunghezza d'onda, dalla potenza di uscita e dagli effetti combinati di potenza e durata dell'esposizione. Er,Cr:YSGG l'irradiazione ha costantemente prodotto elevazioni di temperatura al di sotto della soglia clinicamente accettata di 10 °C associata a lesioni ossee^{termiche 3,4}, mentre l'irradiazione laser a diodi ha mostrato un ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Portastabilizzatore stampato in 3D	Personalizzati	Personalizzato / Non applicabile	Unità di stabilizzazione stampata in 3D progettata per fissare l'angolo di irradiazione e il percorso del manubrio.
Microscopio a Forza Atomica (EzAFM-Compact)	Nanomagnetics Instruments, Oxford, Regno Unito	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	Utilizzato per la topografia superficiale su scala nanometrica e la caratterizzazione della rugosità.
Multimetro digitale (Keithley 2000, 6½ Digit)	Keithley Instruments	URL: https://www.tek.com/en/products/keithley/digital-multimeter/keithley-2000-series-6-digit-multimeter-scanning	Usata con termocoppia di tipo K per la misurazione della temperatura.
Laser a diodo epico (940 nm)	Biolase, Irvine, CA, USA	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-soft-tissue/epic-x/	Sistema laser a diodo a onde continue (940 nm); regolabile 0,5– 10 W in uscita; Utilizzato per l'irradiazione in modalità dei tessuti molli.
Ehm, Cr:YSGG Sistema laser (Waterlase iPlus, 2780 nm)	Biolase, Irvine, CA, USA	URL: https://www.biolase.com/products/dental-lasers-all-tissue/waterlase-iplus-intl/	Er, laser Cr:YSGG (2780 nm) usato con la punta Ziptip MZ-5, 9 mm; operato in modalità gingirectomia con aria continua e NDASH; Spruzzi d'acqua.
Etanolo, 70% (v/v)	Ulusoy Kozmetik	URL: https://www.ulusoykozmetik.com/urun/tr/105_ulusoy-etil-alkol-70%25C2%25B0	Pulizia delle superfici dei campioni
Software di Controllo e Analisi EzAFM	Nanomagnetics Instruments, Oxford, Regno Unito	URL: https://www.nanomagnetics-inst.com/product/scanning-probe-microscopy/ezafm	Utilizzato per il controllo AFM, l'acquisizione dati e l'elaborazione delle immagini.
IBM SPSS Statistica 25	IBM Corp., Armonk, NY, USA	Versione 25	Utilizzato per analisi statistiche tra cui test di normalità, confronti non parametrici e ANOVA bidirezionale.
Termocoppia di tipo K	Non specificato	Non applicabile	Sonda termocoppia di tipo K utilizzata per l'acquisizione della temperatura.
Software per il controllo del microscopio (Quanta FEG 250)	Thermo Fisher Scientific (precedentemente FEI), Hillsboro, OR, USA	URL: https://www.thermofisher.com	Utilizzato per l'acquisizione di immagini SEM e il controllo degli strumenti.
MZ-5 Ziptip (9 mm)	Biolasi	URL: https://store.biolase.com/products/7200712-pkg-mz5-9mm-ziptips-20-pack-wl-md	Consiglio usato con il pezzo Er, Cr:YSGG.
Aria compressa senza olio	Non specificato	Non applicabile	Usata per rimuovere detriti dalle superfici di titanio.
Cera di paraffina	MumveMum (venduto tramite Trendyol)	URL: https://www.trendyol.com/mumvemum/hazir-parafin-1-kg-p-31671380	Usato per rivestire il filo termocoppia per ridurre le interferenze termiche.
Profilometro (Surftest SJ-201)	Mitutoyo, Tokyo, Giappone	URL: https://www.bergeng.com/m m5/downloads/mti/sj201.pdf?srsltid =AfmBOoq2vJN7b4UPc2Yg-aO1 zhsL64p6vFDHSWJ54M_x5gdI8 KkIJgaV	Usata per misurazioni di Ra su 2 e volte; Area di scansione da 2 mm.
Microscopio elettronico a scansione (Quanta FEG 250)	Thermo Fisher Scientific (precedentemente FEI), Hillsboro, OR, USA	URL: https://www.thermofisher.com	Imaging SEM a 250 e multipli; – 5000 e volte; ingrandimenti.
Consigli E4, 400 e micro; m, 4 mm	Biolasi	URL: https://store.biolase.com/products/7400016-tips-e4-400-µm-4mm-surgical-30-qty	Fibra utilizzata per l'irradiazione laser a diodo.
Cilindri di titanio (Grado 4, superficie SLA, 5 e volte; 10 mm)	Naxis, Germania	Personalizzati	Cilindri su misura con canale interno da 5 mm per termocoppia.